倏逝波光纖布拉格光柵歸一化反射率特性

根據(jù)理想模展開下的耦合模方程,對光纖布拉格光柵的峰值反射率公式進行了數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到了布拉格光纖光柵的光譜反射率表達式。全面討論了光柵周期、光纖柵長、光致折射率微擾最大值等參數(shù)與光纖光柵反射光譜的關(guān)系。仿真結(jié)果顯示了固定參數(shù)下布拉格光柵的極限窄帶寬,得到的反射率為1、帶寬為0.02nm的窄帶寬布拉格光柵,比現(xiàn)今分布式傳感系統(tǒng)中使用的布拉格光柵的帶寬窄1個數(shù)量級。這種布拉格光纖光柵用于分布式傳感系統(tǒng),可大大提高分布式傳感系統(tǒng)中光源的帶寬利用率,消除各信號間的相互串?dāng)_,提高傳感光柵復(fù)用數(shù)目,降低解調(diào)系統(tǒng)成本。

闡述了光纖布拉格光柵的幾種解調(diào)方法及實驗原理框圖,并介紹了各種解調(diào)方法的優(yōu)缺點。

提出了一種基于fpga與dsp平臺的光纖布拉格光柵傳感分析儀,將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為光纖布拉格光柵波長的偏移,通過數(shù)據(jù)采集、過濾雜波、信號波峰檢測、高斯曲線擬合以及加權(quán)波長計算等關(guān)鍵步驟來實現(xiàn)波長解調(diào)技術(shù),進而完成溫度、應(yīng)變、壓力或位移等對象的在線測量,并且可以實現(xiàn)光纖線路故障分析與定位的功能。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)功耗低、線性度好、波長解調(diào)精度與分辨率較高。經(jīng)過長期測試,系統(tǒng)軟硬件運行穩(wěn)定可靠。

采用數(shù)值模擬的方法研究了光纖布拉格光柵(fbg)的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性。從耦合模理論出發(fā),利用jacobi橢圓函數(shù)法得到了3種不同的解,首先對3種解下的非線性雙穩(wěn)開關(guān)特性分別進行比較,然后針對各個解下的影響開關(guān)特性的失諧量、耦合系數(shù)和光柵長度等參數(shù)進行分析,研究結(jié)果對于分析和構(gòu)建非線性雙穩(wěn)fbg光開關(guān)具有一定的意義。

設(shè)計了一種基于機械感生長周期光纖光柵(mi-lpg)的雙邊緣濾波光纖布拉格光柵(fbg)傳感解調(diào)方案。采用不同寫制參數(shù)制作了諧振邊帶對稱交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號通過不同光譜特性的濾波器時輸出不同光強的比值對數(shù)算法確定被測波長。實驗表明,本解調(diào)方法能夠精確、穩(wěn)定地實現(xiàn)fbg傳感信號的解調(diào),動態(tài)范圍可達5nm,解調(diào)系統(tǒng)線性擬合計算值和光譜儀所測波長值的均方差為6pm,線性度好,精度高。

提出了一種基于級聯(lián)長周期光纖光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)。級聯(lián)長周期光纖光柵作為邊沿濾波器,利用它的一個線性區(qū)監(jiān)測單個光纖布拉格光柵傳感信號。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低等優(yōu)點,但易受光源抖動及系統(tǒng)其他不穩(wěn)定因素等帶來的系統(tǒng)噪聲的影響。為消除系統(tǒng)噪聲帶來的不利影響,對該系統(tǒng)進行了改進。改進系統(tǒng)利用級聯(lián)長周期光纖光柵的兩個線性區(qū)同時監(jiān)測兩個光纖布拉格光柵傳感信號。分別用原系統(tǒng)及其改進系統(tǒng)對溫度進行監(jiān)測,實驗的溫度測量范圍為-70～-115°c。原系統(tǒng)的靈敏度為0.49mv/°c,溫度分辨率為0.5°c;改進系統(tǒng)的靈敏度為0.86mv/°c,溫度分辨率為0.3°c。實驗結(jié)果表明改進系統(tǒng)能有效消除系統(tǒng)噪聲,提高系統(tǒng)的精度。

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實驗中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學(xué)腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對外部折射率的變化關(guān)系。實驗結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

闡述了光纖布拉格光柵的重構(gòu)理論及被廣泛采用的剝層算法,指出了剝層算法在重構(gòu)強反射光柵時的弊端,提出了一種剝層算法和遺傳算法相結(jié)合的方法來重構(gòu)強反射光柵。此方法先由剝層算法得到光柵耦合系數(shù)的初始值,再依據(jù)重新采樣后的初始值創(chuàng)建初始種群,通過遺傳算法實現(xiàn)對剝層算法所得結(jié)果的后半部分進行優(yōu)化。數(shù)值模擬表明此方法有效地改善了剝層算法的結(jié)果,具有較快的收斂速度和很好的精度,能適用于大多數(shù)強反射光柵的重構(gòu)。

分析光纖光柵傳感原理,闡述可調(diào)光纖f-p濾波器的工作機理和特點,并介紹了基于arm實現(xiàn)光纖布拉格光柵(fbg)傳感器的解調(diào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。采用三星公司的s3c44box對經(jīng)過可調(diào)諧f-p腔解調(diào)后的波長信息進行采集,并對得到的數(shù)據(jù)進行處理。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足一般的工程要求。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點,分析了鍍nifbg溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變進行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結(jié)果。

兩電流產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵的布拉格波長漂移。通過檢測兩個布拉格光柵的波長漂移差,得到被測電流。雙光纖布拉格光柵通過補償溫度效應(yīng),解決了光纖布拉格光柵傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保光纖光柵在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為0.097nm/a,與理論值的相對誤差為3.38%,結(jié)果表明該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

基于光纖光柵傳感技術(shù),采用光纖光柵應(yīng)變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵位移計對一座既有預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板橋的靜、動載試驗進行了測試;對比分析了傳統(tǒng)傳感技術(shù)與光纖光柵傳感技術(shù)的測試結(jié)果。結(jié)果表明:傳統(tǒng)傳感器和光纖傳感器實橋測量結(jié)果與計算結(jié)果均能吻合,均能夠反映出橋梁的實際受力狀態(tài);且光纖光柵傳感器可以真實反映加載的整個過程,實現(xiàn)加載過程的實時連續(xù)監(jiān)控。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時測量時,考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行了溫度和應(yīng)變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時,溫度變化和應(yīng)變的范圍.

提出了基于可調(diào)激光器和聲光脈沖調(diào)制的光纖布拉格光柵(fbg)傳感系統(tǒng),同時利用摻鉺光纖放大器(edfa)和拉曼放大相結(jié)合的放大方案大幅度提高了光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離,達到了300km的超長距離傳感。該系統(tǒng)通過前端的edfa和末端的拉曼泵浦光源來補償光纖布拉格光柵反射的光功率。系統(tǒng)在低于275km長度時獲得了大于15db的優(yōu)良信噪比;在300km處獲得了4db的信噪比,以及明顯的反射信號。系統(tǒng)在100,200,250,300km處的靜態(tài)應(yīng)變實驗中,線性度均達到了0.999以上。系統(tǒng)可望在鐵道、輸油(氣)管道、海岸線等的超長距離遙測中得到廣泛應(yīng)用。

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大,易受電磁干擾,不易實現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足,采用光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)作為骨骼形變監(jiān)測的實現(xiàn)原理及應(yīng)用方式.基于fbg應(yīng)力傳感原理,將不同中心波長的fbg粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗,隨后將采集的布拉格波長換算成形變,實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢.實驗采用在多點粘貼f3g的方式,避免了溫度、應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}.實驗表明,粘貼在豬肋骨上的fbg的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系,光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.00525pm/mm.實驗結(jié)果對發(fā)展微型、實時、集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

載流導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的電磁力使等腰三角形懸臂梁變形,從而導(dǎo)致安裝在懸臂梁兩邊的光纖布拉格光柵(fbg)的布拉格波長漂移。通過檢測2個fbg的波長漂移差,得到被測磁場的磁感應(yīng)強度。雙fbg通過補償溫度效應(yīng),解決了fbg傳感器的交叉敏感問題。垂直放置的等腰三角形懸臂梁,確保fbg在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象,又避免了自身重量和導(dǎo)線重量對測量結(jié)果的影響,從而減少了測量誤差。該系統(tǒng)傳感靈敏度為1.11nm/t,與理論值的相對誤差為4.31%,結(jié)果表明,該傳感器結(jié)構(gòu)是可行的。

針對反射體布拉格光柵譜組束中缺乏精密控制儀器的實驗條件,采用透鏡作為光束入射角和準(zhǔn)直控制器件,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的譜組束系統(tǒng)。基于衍射效率方程,得到了光柵最佳設(shè)計參數(shù);基于像差理論,得到了透鏡最佳設(shè)計參數(shù)。針對該設(shè)計系統(tǒng),對影響組束效果的因素進行了分析,并對組束效果進行了預(yù)測。結(jié)果表明:當(dāng)激光束的譜寬小于1.5nm時,設(shè)計系統(tǒng)的組束效率能超過90%;而當(dāng)光束的譜寬達到2.1nm時,設(shè)計系統(tǒng)也能獲得超過88.7%的組束效率。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對光子晶體光纖的傳輸特性進行分析,研究正向傳輸和反向傳輸?shù)哪Ｊ街g的耦合規(guī)律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長λb隨光纖結(jié)構(gòu)參量的變化規(guī)律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個不同偏振態(tài)的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個偏振態(tài)對應(yīng)的反射譜都由于高雙折射而分開。

研究單端腐蝕光纖布拉格光柵(fbg)在低折射率區(qū)(約1.333～1.360)對折射率與溫度同時測量的理論模型,分析其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對折射率靈敏度和線性度的影響,建立相應(yīng)的線性近似理論和誤差分析方法。理論仿真結(jié)果表明,可通過減小腐蝕區(qū)的直徑或選擇光柵周期較大的fbg制作傳感器來提高折射率靈敏度,但這同時會降低傳感器的線性度及增大折射率靈敏度的理論誤差。在此理論分析基礎(chǔ)上,設(shè)計并制作一個單端腐蝕fbg,進行相應(yīng)實驗研究,實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

文中介紹了光纖布拉格光柵的原理;根據(jù)耦合模方程,介紹了幾種光柵的仿真方法;分別以光纖布拉格光柵濾波器、色散補償器、相移光柵和采樣光柵為例說明了光纖光柵的設(shè)計方法。

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應(yīng)的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應(yīng)的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應(yīng)的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

本文從理論上研究和分析了一種基于otdr和tdm技術(shù)的新型光纖布拉格光柵復(fù)用方法的復(fù)用能力。這種方法可以在同一根光纖上復(fù)用成百個全同的低反射率布拉格光柵,從而使布拉格光柵傳感器在航空航天健康監(jiān)測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。分析表明,當(dāng)布拉格光柵的反射率足夠低時,系統(tǒng)的復(fù)用能力可以大大提高。因此,基于這種復(fù)用方法,可以實現(xiàn)廉價的大規(guī)模分布傳感系統(tǒng)。在評價這種系統(tǒng)的復(fù)用能力時,我們第一次提出應(yīng)該考慮光柵間多次反射光的干涉效應(yīng)的影響。